硅基光子無(wú)源集成器件以及混合集成平臺(tái)的研究.pdf

1、經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，硅光子學(xué)如今已經(jīng)成為受到廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。利用硅的高折射率差和成熟的制造工藝，硅光子學(xué)被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)高集成度光子芯片的最佳選擇。但是，硅光子學(xué)也有其固有的缺點(diǎn)，比如缺乏高效的硅基有源器件，極低的光纖-波導(dǎo)耦合效率以及硅基波導(dǎo)顯著的偏振相關(guān)性等都制約著硅光子學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展。本論文針對(duì)這些問(wèn)題，試圖通過(guò)新的嘗試給出一些全新的解決方案。
　　 首先我們回顧了一些光波導(dǎo)的數(shù)值算法，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于柱坐標(biāo)系的有

2、限差分模式分析器，它非常適合于分析彎曲波導(dǎo)的本征模場(chǎng)。對(duì)于復(fù)雜光子器件結(jié)構(gòu)的分析，我們主要利用時(shí)域有限差分以及波束傳播法等數(shù)值工具。
　　 接著我們回顧了硅基光子器件各項(xiàng)主要的制造工藝和測(cè)試技術(shù)。重點(diǎn)介紹了幾種基于超凈室設(shè)備的關(guān)鍵工藝，如等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積，電子束光刻以及等離子體干法刻蝕。為了同時(shí)獲得較高的耦合效率以及較大的對(duì)準(zhǔn)容差，本論文主要利用垂直耦合系統(tǒng)作為光子器件的主要測(cè)試方法。
　　 針對(duì)不同的硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，

3、我們提出并且實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了兩款新型耦合器以提高硅波導(dǎo)的耦合效率。一款基于非均勻光柵的垂直耦合器，在實(shí)驗(yàn)中，我們得到了超過(guò)60％的光纖-波導(dǎo)耦合效率。此外，我們還開(kāi)發(fā)了一款用以實(shí)現(xiàn)硅條形波導(dǎo)和狹縫波導(dǎo)之間高效耦合的新型耦合器，理論設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都證明該耦合器可以實(shí)現(xiàn)兩種波導(dǎo)之間的無(wú)損光耦合。
　　 為了消除硅基無(wú)源器件顯著的偏振相關(guān)性，我們首先利用一種特殊的三明治結(jié)構(gòu)波導(dǎo)，通過(guò)優(yōu)化多層結(jié)構(gòu)，成功消除了一個(gè)超小型微環(huán)諧振器中心波長(zhǎng)的偏振

4、相關(guān)性。同時(shí)，我們分析了另外一種可以有效消除偏振相關(guān)性的偏振分級(jí)方案，并提出了兩種新型結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)該方案中的兩種關(guān)鍵元件。通過(guò)理論分析以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，一個(gè)基于一維光柵的偏振分束器被證明能夠?qū)崿F(xiàn)兩種偏振光的有效分離。該分束器同時(shí)還能作為光纖與硅波導(dǎo)之間的高效耦合器。實(shí)驗(yàn)中我們獲得了超過(guò)50％的耦合效率以及低于-20dB的偏振串?dāng)_。我們還對(duì)一個(gè)基于硅條形波導(dǎo)的超小型偏振旋轉(zhuǎn)器進(jìn)行了理論分析，該器件能夠?qū)崿F(xiàn)100％的偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化效率，并擁有較大的制造